哈工大钢结构课件

1、第七章 单 层 厂 房 钢 结 构 7.1 概述 钢厂房具有较大的承载能力，整体刚度、抗震性能好， 耐热，考虑制造、运输、安装等因素，经济效益较高。 一. 单层厂房结构的组成 厂房应具有足够的强度、刚度、稳定性，以抵抗各种 荷载。 横向平面框架或排架； 屋盖系统； 吊车梁系统； 支撑体系； 墙架系统。 用钢量从多到少：柱、吊车梁、屋盖系统。 厂房结构的组成 屋面荷载 吊车轮压 墙体荷载 风荷载 吊车横向水平制动力 风荷载 吊车纵向水平制动力 吊车梁 墙体（与柱有效连接） 连系梁或基础梁 柱牛腿吊车梁 屋架屋面板 山墙 地基 基础 横向排架柱 基础地基 纵向排架柱屋盖支撑抗风柱 竖向荷载 横向

2、水平荷载 纵向 水平荷载 二. 厂房设计程序 设计分三个阶段： 1. 结构选型及整体布置：柱网布置、横向框架型式和主 要尺寸、屋盖结构、吊车梁系 统、墙架、支撑、钢材牌号。 2. 技术设计：荷载计算、结构内力分析、结构尺寸及 连接。 3. 绘制施工图。 7.2 厂房结构的整体布置 一. 柱网布置 1. 满足生产工艺要求：与设备、生产工艺流程相配合； 2. 满足结构方面的要求：柱设在同一横向轴线上，以 保证横向刚度； 3. 满足经济合理的要求：总用钢量最少； 4. 构件统一化、标准化：跨度以3m，柱距以6m为模 数，特别时，柱距可9m。 二. 变形缝 1. 温度缝 温度变化时，结构产生温度变形和

3、温度应力， 柱子的刚度 吊车梁轨顶标高 温度变形 梁、柱连接型式 当厂房纵、横向长度小于某长度，可不考虑温度变 形和温度应力。 温度区段长度值，可查表。 若长度和宽度太大，应设置温度缝，将其分为长度 较小的温度区段，在每个温度区段中，可不考虑温度应 力，但在每个温度区段中应设置柱间支撑。 温度缝的设置：上部结构断开，基础不断开。 tLL 其与 有关 封闭结合：伸缩缝的轴线与定位轴线重合。 也可采用单柱设温度缝，即在支座处设滑动支座。 2. 沉降缝 相邻厂房高差较大，或地基土压缩性较大，设沉降缝。 沉降缝作法：缝处结构全部断开，包括基础。 沉降缝可兼作温度缝，而温度缝不能兼作沉降缝。 非封闭结合

4、： 设置双柱 7.3 屋盖结构的形式 屋盖结构包括：钢屋架、托架、天窗架、檩条、屋面板。 简支屋架 刚接屋架 一. 屋盖结构体系 无檩屋盖： 优点：横向刚度大、整体性好、构造简单。 缺点：自重大，对抗震不利。 有檩体系： 优点：自重轻、对抗震有利。 缺点：横向刚度差、屋盖构件多、构造复杂。 采用轻型屋面材料，如压型钢板、压型铝板等。 当压型钢板或压型铝板与檩条进行可靠连接后，能 有效地传递屋面纵、横方向的水平力，提高屋面的整体 刚度，此现象称为 简支连接 刚接连接 屋架与柱的连接 受力蒙皮效应。 当柱距较大，檩条或屋面板跨度大，则截面大，不经 济，故设托架，托架上设屋架。 二. 屋架的受力特点

5、 钢屋架以承受横向弯曲的受力方式 把屋面荷载传给下部结构，一般荷载作 用于屋架的节点上，各杆均只有轴心力， 应力均匀分布。 按受荷的大小，适用的跨度，截面及构造将屋架分为 普通钢屋架： 结构整体刚度大，适用性强，适用跨度1836米。 截面刚度大，抗扭、抗压性能好，省钢。 管与管相贯 管切口 与普钢屋架相比，角钢小，自重小，抗 震好，刚度差，跨度18m，采用轻型屋面材料。 三类 但管节点复杂 杆截面 钢管截面： 轻钢屋架： 平面结构 空间结构 自平衡体系，支撑简化，甚至取消。 三. 钢屋架的外形、腹杆布置及尺寸 1. 基本要求 应与屋面排水相适应； 屋架的外形尽量与弯矩图相配合，弯矩大， 应截面

6、高，如此弦杆内力比较均匀，经济。 通常，要使长杆受拉，短杆受压，杆件夹 角3060，便于节点处理。 满足要求的前提下，尽量较少节点数，且 要合理。 按结构形式分为 应 满 足 安装要求： 经济要求： 使用要求： 轻型屋面，坡度i=1/51/2； 大型屋面板，坡度i=1/121/8； 2. 屋架外形、特点 常用的屋架外形有：三角形屋架、梯形屋架、平行弦 屋架等。 三角形屋架：适用于坡度较陡的有檩屋盖，与柱铰接， 跨度小于等于24m。 缺点：它的外形与均布荷载的弯矩图不相适应， 跨中M大，h大，杆力N小 支座处M小，h更小，杆力N大 支座处，杆件间的夹角过小，节点难于处理。 内力分布不均 芬克式屋

7、架，内力分布不均 节点难处理，有吊顶时，设虚线腹杆 增大夹角，节点 易处理，支座处 弦杆内力改善。 适用于坡度较为平缓的无檩屋盖，它的形状 与简支受弯构件的弯矩图接近，弦杆内力分 布均匀，可与柱铰接也可刚接。 无虚线时，腹杆体系为人字 式 有虚线时，腹杆体系为再分 式 端斜杆与弦杆组成的支承节点在下弦称为下承式。 端斜杆与弦杆组成的支承节点在上弦称为上承式。 与柱刚接时采用下承式，与柱铰接时，两者均可。 单斜式 水平推力较大，与柱刚接， 适用于跨度较大屋盖结构 减小水平推力，改善框架受力， 适用于跨度较大的屋盖结构 梯形屋架： 弦杆和腹杆分别等长，节点形式相同， 杆件规格化，节点构造统一，但

8、弦杆内力分布不均。 主要用于单坡屋面、托架、吊车 制动桁架、支撑构件等。 3. 屋架的主要尺寸 屋架的主要尺寸有屋架跨度、跨中高度、端部高度。 柱网轴线的横向间距。 屋架两端支座反力的距离。 屋架跨度 标志跨度l： 计算跨度l0： 铰接 刚接 l0l-（300400）l0ll0l-2（柱宽）l0l-2（内移尺寸） 封 闭 结 合 非 封 闭 结 合 封 闭 结 合 非 封 闭 结 合 平行弦屋架： 屋架高度：指跨中的最大高度。 总用钢量最少； 确定hmin； 确定hmax； 桥洞、铁路。 跨中高度： 0 0.51.0m 1.82.1m 注意：实际是先确定跨中高度，后确定h0。 起拱： 内力计算

9、时，不考虑起拱，几何尺寸计算时，考虑起拱 li h h21 0 umax u 经济要求： 运输界限： 建筑要求： 刚度要求： 决定于 铰接： 陡坡梯形屋架h0 (1/101/6)l 梯形、平行弦屋架 h (1/61/4)l 三角形屋架 缓坡梯形屋架 三角形屋架 h0：屋架端部高度 刚接时： h01/10l1/18l h01.82.4m l/500且以5mm为模数 三角形屋架l15时，起拱。 梯形、平行弦屋架l24m时，起拱。 7.4 厂房结构的支撑体系 在纵向，仅有屋面板、吊车梁，纵向 为几何可变体系，刚度不够，在纵向荷载 作用下，产生较大纵向变形，甚至破坏。 故在平面框架之间、各屋架之间设置

10、支撑，使厂房形 成一个有足够刚度、强度、稳定性的空间整体结构。 屋盖支撑 柱间支撑 一. 屋盖支撑体系 1. 屋盖支撑体系的布置 上弦横向水平支撑 下弦横向水平支撑 下弦纵向水平支撑 垂直支撑 系杆 屋盖支撑体系 支撑体系 上弦横向水平支撑 设在两端或温度区段的两端， 采用封闭结合，设在第二柱间， 与屋架采用C级螺栓连接，易产生滑动，支撑间距60m， 否则，跨中设一道。 下弦横向水平支撑 设置位置：与上弦横向水平支撑设在同一柱间。 上 弦 下 弦 下 弦 上 弦 22 11 柔性系杆 、 跨度l18m a.下弦设有悬挂吊车； b.采用下弦弯折的屋架； c.山墙抗风柱支承于屋架下弦； d.设有桥

11、式吊车。 下弦纵向水平支撑 设在屋架下弦的端节间内。 a.有硬钩桥式吊车； b.设有壁行吊车或双层吊车； c.设有5t以上锻锤； d.房屋跨度30m，轨顶标高15m，起重量 较大的桥式吊车； e.设有托架和中间屋架。 和下弦横向水平支撑形成封闭盘体，可传递纵向 力，还可为托架提供侧向支撑。 支撑与弦杆的连接（下一页） 跨度l30m，中部增设一道， 对三角形屋架，此界限值为24m。 横向支撑相隔较远时，纵向每隔 45个屋架加设一道。 端部的垂直支撑是屋架上弦横向水平支撑的支撑， 中部的垂直支撑还可减小屋架下弦平面外的计算长度。 系杆 既能承拉，又能承压 仅能承拉 上弦：屋脊处，刚性系杆；支座处，

12、柔性系杆； 下弦：跨中(垂直支撑位置)柔性系杆，支座处，刚性系杆 柔性系杆： 刚性系杆： 当上、下弦横向水平支撑设在第二柱间时，应在第一 柱间下弦平面内设刚性系杆，以传递山墙荷载。 系杆必须连于支撑节点才能起作用。 2. 屋盖支撑的作用 保证屋盖的空间稳定性，设置支撑后，纵向几何不变 保证屋架受压上弦杆在屋架平面外的稳定； 承受并传递屋盖的纵向水平力； 增加房屋的整体刚度。 3. 屋盖支撑的型式和杆件截面选择 横向水平支撑 纵向水平支撑 垂直支撑 处于跨中 支撑受力较小，一般不计算，按容许长细比控制。 十字交叉杆、柔性系杆，按拉杆设计，用单角钢。 其它杆，按压杆设计，用双角钢。 当房屋较高、跨

13、度较大且基本风压也较大时，横向、 纵向支撑按桁架体系计算，杆件截面由内力确定。 超静定结构，计算较复杂， 可近似简化为静定桁架计算， 即认为红色受压斜杆退出工作。 400 300 200 （有重级工作制吊车梁） 二. 柱间支撑的设置 在每个温度区段内，设置柱间支撑。 位于吊车梁上部， 设在温度区段两侧，尽可能 与屋盖水平支撑同一柱间。 中央或临近中央柱间。 下柱支撑的中心相当于不动 点，距端部距离小于0.6L。 下柱支撑的柱间也要设置上柱支撑，对应位置应设屋 架垂直支撑。 当温度区段较长，设两道柱间支撑 ，中心为不动点。 提问：下柱柱间支撑设在一侧或两侧如何？ 柱间支撑的作用： 与框架组成刚强

14、的纵向排架，保证厂房的纵向刚度； 承受纵向力； 为框架柱提供可靠的平面外支撑。 上柱支撑： 下柱支撑： 7.5 普通钢屋架设计 一. 屋架杆件内力计算 1. 荷载计算及组合 屋架 屋盖支撑 天窗架 屋面材料 有吊顶时，屋架及支撑自重加吊顶荷载平 均分配于上、下弦节点。 屋面均布活荷载 雪荷载 积灰荷载 悬挂吊车荷载 风荷载 屋面与水平面夹角大于30 风荷载标准值大于490N/m2 开敞式房屋 轻屋面 取大值 活载 恒载 沿屋面坡向分布 标志跨度 重量qk0.117+0.011L（kN/m2） 沿水平面分布，作用在上弦节点 吊顶 考虑情况 屋架内力应据使用和施工过程中可能遇到的最不利荷 载组合情

15、况计算： 全跨恒载全跨活载 全跨恒载半跨活载 屋架及支撑自重半跨屋面板重半跨屋面活荷载 全跨恒载风荷载 此种情况与荷载规范有出入，但应考虑。 说明：a、情况考虑跨中某些腹杆与情况1受力方向 相反； b、采用轻屋面或施工时两侧对称均匀铺设屋面板， 可不考虑情况； C、上述每种荷载组合情况均要考虑是由永久荷载效 应控制的组合还是由可变荷载效应控制的组合。 此时 G=1.0 屋面上的荷载以集中力的形式作用到屋架的节点上。 每个节点所承受的力为阴影面积。 每一节点受力为 式中： ：荷载分项系数 ：水平投影面上分 布的荷载标准值 实际上在前面的荷载组合中 已考虑了 项。 沿屋面坡向分布的荷载（如 屋面材

16、料）要转化为沿水平面分布。 即： 式中： ：屋面坡度角 坡度小时，近似取 asqp Ki i q K qK i cosgq wkwk 0 . 1cos S：屋架间距 a：上弦节点在 水平投影面 上的间距 2. 杆件的内力计算 假设： 节点处的所用杆件轴线在平面内相交于同一 点，杆为理想直杆； 荷载作用于屋架平面的节点上； 各节点为理想铰接。 实际上，假设有一定的近似性： 节点具有一定的刚度，杆件不能自由转动，介于 铰接和刚接之间； 杆件在制造、安装时有偏差，有可能不交于同一 点，但误差较小，设计中不考虑。 据上面的假设就可按力学方法求解屋架内力， 图解法：解梯形屋架、三角形屋架更快捷 数解法：

17、平行弦屋架 计算时，取半跨单位荷载作用，求出全跨各杆内力， 利用叠加原理，求出各种荷载组合下的杆件内力。 认为整个弦杆为连续梁计算弯矩 近似方法，每一节间当作简支梁 将该荷载分配到相邻两节点上， 如先前一样，先求出杆件轴力，然后 求受节间荷载作用的弦杆产生的弯矩。 二. 屋架的杆件截面设计 1. 杆件的计算长度 )( 2 2 l EI N cr 若有节间荷载作用， 假设节点为铰接是近似的，实际有一定的弹性嵌固。 节点上的拉 杆数量越多，拉力和拉杆的线刚 度越大，嵌固程度也越大。 上弦节点拉杆少，节点铰接； 下弦节点拉杆多，嵌固大，故介于铰接和固接之间。 l l x 8 . 0 0 l l x

18、0 l y0 l l y 0 l l y 0 故：腹杆 l l x 0 （平面外无嵌固作用） 端竖杆和端斜杆 因拉杆少、本身刚度大 、嵌固弱，下端铰接 上弦杆 （ ：节间段长度） l 侧向支撑点间距 有檩体系：檩条间距 无檩体系：两块屋面板宽 压杆在屋架平面内屈曲绕节点转动时，将受到和其相 连的其它杆的阻碍， 为什么是两块屋面板宽？ 因屋面板与屋架至少三点焊牢。 十字形截面和单角钢： 因屈曲时，沿斜截面，即不是平面内也不是平面外。 再分式： N1：较大压力 N2：较小压力或拉力 N1段： N2段： 十字交叉杆（两交叉杆在交叉点相连）： l y0 侧向支撑点间距 l l x 0 下弦杆 l lo

19、 9 . 0 l1 )25. 075. 0( 1 2 1 N N lloy 压正、拉负 平面内计算长度 l l x 0 l l x 8 . 0 0 l lox 节点中心到交叉点之距（不论拉压） ? loy 压杆：（两交叉杆长度相等、截面也相同） )1( 2 1 0 N N l loy N N l loy 0 2 12 1 l N N l loy 5 . 0) 4 3 1 ( 2 1 0 l N N l loy 5.0 4 3 1 0 l l y 5 .0 0 )1( 4 3 0 2 2 0 N N lN I E y 两杆截面相同并在交叉点均不中断 此另一杆中断，但以节点板连接 另一杆受压 另一

20、杆受拉 两杆截面相同并在交叉点均不中断 此拉杆中断，但以节点板连接 此拉杆连续，而压杆在交叉点中断、但 以节点板连接，若N0N或拉杆在平面 外的抗弯刚度 时， 压杆 式中：N0为相交另一杆的内力，N、N0均为绝对值。 两杆均受压时，取N0N，拉杆截面应相同。 拉杆： 当交叉腹杆中有单角钢，单角钢斜平面的计算长 度取节点中心至交叉点的距离。 2. 杆件的截面型式 截面型式： 最合理的设计应是绕两主轴等稳定， 以上截面对两主轴是同类截面，所以等稳定条件是 x= y (此处未考虑计及扭转效应的换算长细比yz) l l y 0 i l i l y oy x ox l l i i ox oy x y 端

21、斜杆： 1 ii xy 2 ii xy 1 ii xy 25.1 ii xy 选不等边角钢长边相连 选不等边角钢长边相连 有时为连垂直支撑，可选十字形截面 端竖杆： 上弦杆： 下弦杆： 腹杆： 选短肢相连 另一原因，外伸肢便于与支撑相连 强度控制，选短肢相连，外伸肢便于与支撑相连 选等边角钢 杆件较长，如何共同工作？ 垫板间距：压杆 ；拉杆i40i80 i i 垫板厚度：同节点板厚 每根压杆不少于两块垫板 3. 杆件的截面设计 强度 稳定 强度 长细比 无节间荷载，轴心受力； 有节间荷载，偏心受力。 施工阶段上弦稳定验算： 上弦某节间产生最大内力N1，某节间产生最小内力 N2，上弦杆屋架平面外

22、计算长度近似取： 选用杆件时应注意：选用肢宽而薄的角钢，规格不超 过56种，厚差大于2mm。 角钢不宜小于454或 56364。 lNNlloy 112 66. 088. 1)88. 01 ( 1 l 1 ：上弦杆长 压杆 拉杆： 第二极限状态 第一极限状态 应满足 要考虑yz 三. 屋架的节点设计 节点设计应做到传力可靠， 制造方便，构造合理，节约钢材。 节点构造 焊缝计算 确定节点板 1. 节点设计的基本要求 据假设各杆轴线在节点处相交于一点， 节点设计 角钢肢背至重 心 线的距离为5mm的倍数， 各杆通过节点板连接在一起，为 便于施焊，焊缝间的净距不小于10mm, 通过控制杆与杆之 间的

23、间隙，即取C（1520）mm, 定出各杆端部位置。 当间隙C不满足要求时，角钢切角，如图中红笔实 线，虚线切法不允许。 据腹杆内力，算出腹杆与节点板连接的焊角尺寸和焊 缝长度，定出焊缝长度方向另一边缘的位置，然后定出节 点板轮廓。节点板的长和宽宜取10mm的倍数。 3060 lf 节点板厚度应据腹杆内力（梯形屋架）和弦杆内力 （三角形屋架）查表确定。 形状规整，至少有一对对边平行， 如矩形、梯形。 传力均匀，腹杆重心线交于弦杆与 节点板间焊缝的中心。 如采用图中白线，则不对。 弦杆与节点板间焊缝偏心受力； 夹角应大于15。 关于节点板的说明： 查节点板厚度时，节点板材料为Q235钢，其它钢 材

24、，厚度适当减小； 节点板边缘与腹杆轴线之间的夹角应不小于15； 节点板与腹杆用侧焊缝相连。当采用围焊缝时或不 满足表中要求时，节点板的厚度应计算确定； 支座节点板的厚度宜较中间节点板厚度大2mm； 另外，节点板应 错误原因 节点板的稳定： a. 对有竖腹杆的节点板，当 时，不 验算节点板的稳定；（此处c为腹杆连接肢端面中 点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距） b. 无竖腹杆的节点板，当 时，可将 受压腹杆的内力乘以1.25后再查表求节点板厚度， 可不验算节点板稳定； c. 节点板的自由长度 与厚度t之比不得大于 否则，应沿自由边设加劲肋予以加强。 弦杆采用变截面： m时，可采用不变厚度变肢宽的方法，

25、 肢背平齐，重心线不在一条直线上， 以重心线的轴线为轴线。 当 ，忽略附加弯矩， 当 e0.05hmax ，不能忽略附加弯矩， ftc y 23515 ftc y 23510 lf f y 23560 24l h e max 05. 0 该弯矩由节点处的各杆共同承担 每杆弯矩 2. 节点的计算与构造 . 无节点荷载的下弦节点 一个腹杆与节点板焊缝长度 然后分配于肢背、肢尖。 下弦杆内力差N=N1-N2由角钢与节点板间焊缝承受， N较小，一般构造焊缝即可满足。 若杆截面积由毛截面确定，且接近满应力，即 当下弦连支撑处栓孔削弱截面时，强度无法满足，怎么办 e NN M)( 21 M K K M i

26、 i l I E K i i i l l E K i i 其中： 节点处所有杆件线刚度之和 f h N l w f f w 7.02 fAN 通过节点板补强，即节点板外边缘距孔100mm即可。 若下弦作用有集中荷载时，此集中荷载由肢背、肢尖 的四条焊缝共同承担。 . 有集中荷载的上弦节点 a.无檩情况 P对焊缝中心有偏心，弯矩M=Pe 因无檩时坡度小，偏心e小，所以忽略M 。 P作用下，肢背、肢尖四条焊缝平均受力，相当于 lh P wf p 7.04 lh N k wf N 7 .02 1 f p w f N 2 2 ) 22.1 ( 正面焊缝： 内力差N作用下，肢背焊缝： b. 有檩情况 采用塞焊缝，质量较差， 将塞焊缝假定为两条 的角焊缝， 假定塞焊缝仅均匀地承受 p ， 肢尖焊缝承担杆力差和偏心弯矩， 杆力差N=N1-N2（N1N2）， 0.5t缩进尺寸t t：节点板厚 2 1 t hf f lh p w f wf f f )7 . 02( 11 可偏安全地取0 . 1 f 偏心弯矩eNpeM lh N wf N 7.02 lh M wf M 2 7.02 6 f w f N M 2 2 ) 22.1 ( N作用下，焊缝上各点受力均匀 M作用下，a、b两点受力最大 . 弦杆的拼接节点 工厂拼接： 工地拼接： 通过拼接角